김동철-문준혁 교수팀, 자연계에 없는 기계적 특성 메타물질 설계 기술로 찾아

-네이처 자매지 사이언티픽 리포트 발표-

이 연구는 자연계에 없는 특이한 성질을 가진 메타물질을 설계하기 위하여 삼중주기적 연속체 구조의 기계적 특성을 제어하는 방법을 개발한 것으로, 향후 음향탐지기로부터 탐지되지 않는 은폐장치, 높은 효율의 충격 흡수 재료 개발 등을 통해 방위산업, 항공우주산업, 자동차 산업 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 연구에 그 의의가 있다. 

한편, 이 연구는 미래창조과학부 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원으로 수행되었으며,  연구 및 논문의 주요 내용은 아래와 같다.

1. 연구의 필요성

 메타물질이란 자연계에 존재하지 않는 특성을 나타내도록 인공적으로 설계된 물질이다. 최근 투명망토에 사용될 수 있는 독특한 광학적 특성을 갖는 메타물질이 개발되는 등 다양한 분야에서 기존 재료의 특성을 뛰어넘는 메타물질이 개발되어 상상 속의 도구들이 현실화되고 있다. 특히 자연계에 존재하지 않는 독특한 기계적 특성을 갖는 메타물질 개발은 그 활용 가능성이 매우 높을 것으로 예상되지만 현재까지 심도 있는 연구가 시도되지 않았다.

 실험을 통해 새로운 기계적 특성을 갖는 메타물질을 개발하는 것은, 고도의 전문성과 기술력이 요구되고 많은 시간과 비용이 필요하기 때문에 현실적으로 상당한 어려움이 있다. 따라서 다양한 구조의 기계적 특성을 예측할 수 있는 효율적인 메타물질 설계 방법이 필요하다.

 최근 구조의 복잡한 내부 형상을 간단한 방법으로 변화시킬 수 있어 많은 관심을 받고 있는 삼중 주기적 연속체(三重 週期的 連續體)*는 내부 형상이 변할 때 구조의 다양한 기계적 특성 변화가 예상되지만 아직 기계적 메타물질로써의 제안은 이루어지지 않았다.

* 삼중 주기적 연속체(三重 週期的 連續體) : 3차원 공간상의 모든 방향으로 동일한 형상이 주기적으로 반복되고 모든 부분이 연속적으로 연결되어 있도록 수학적으로 정의된 구조.

2. 발견 원리

 복잡한 실험 과정 없이 삼중 주기적 연속체의 기계적 특성을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다양한 조건에 따른 기계적 특성을 정확하고 빠르게 분석하였다.

 다양한 형태의 삼중 주기적 연속체 구조의 형상 설계를 통해 재료의 강성(强性)*이 힘을 가하는 방향에 따라 크게 달라지도록 제어할 수 있는 방법을 연구하였다. 이를 통해 특정 방향에 가해지는 힘에는 매우 단단하고, 다른 방향의 힘에는 매우 약한 메타물질의 설계가 가능하다.

* 강성(强性) : 어떤 물체가 외부로부터 힘을 받아도 모양이나 부피가 변하지 않는 단단한 성질.

 삼중 주기적 연속체의 내부 형상이 수 마이크로 크기일 때 탄성파*의 전달속도가 파동의 진행 방향에 따라 크게 달라지도록 제어할 수 있는 방법을 연구하였다. 이를 통해 특정 방향으로의 파동의 전달속도가 매우 빠르고, 다른 방향으로의 전달속도는 매우 느린 메타물질의 설계가 가능하다.

* 탄성파(彈性波) : 매질(파동을 전달시키는 물질)을 통해 진동의 형태로 전달되는 파동. 음파, 수면파, 지진파 등이 포함됨.

 삼중 주기적 연속체를 구성하는 재료의 선택에 따른 기계적 강성의 변화 또한 예측하였다.

3. 연구 성과

 본 연구를 통해 힘을 가하는 방향에 따른 강성의 비율이 최대 130 이상으로, 자연계에 존재하는 재료에 비해 10배 이상 높은 메타물질을 제안하였다. 이러한 특성은 재료에 가해진 특정 방향의 힘을 다른 방향으로 분산시킬 수 있어 큰 충격을 쉽게 이겨낼 수 있는 특성을 갖도록 활용될 수 있다. 
 또한 제안한 구조의 내부 형상을 수 마이크로 크기 이하로 만들면 방향에 따른 탄성파의 전달속도의 비율을 최대 200배 이상 변화시킬 수 있다. 이러한 특성을 이용하면 특정 방향으로는 마치 재료가 존재하지 않는 것처럼 파동을 그대로 통과시킬 수 있어 음파 탐지기로부터 탐지되지 않는 은폐장치 등의 개발에 활용될 수 있다.  이러한 기계적 메타물질은 방위산업, 항공우주산업, 자동차산업 등 다양한 산업분야에 크게 활용될 수 있다.

▷ 기사 원문 : http://club.sogang.ac.kr/@bb/bboard.asp?db=@bbs_notice&mode=read&num=2819&page=1